核-壳结构析出物及其对ODS钢的热时效硬化行为的影响

Successful development of high-performance cladding materials is the prerequisite and foundation of the industrialization of accident tolerant fuel (ATF) of light water reactors. Fe-Cr-Al ODS steel is one the most promising cladding materials of ATF due to the excellent resistance to creep, irradiation and corrosion. At present, it is urgent to optimize the chemical compositions of Fe-Cr-Al ODS steel so as to improve the high temperature strength and the environmental compatibility as much as possible and, at the same time, ensure that there is no thermal aging embrittlement under long-term service conditions. It has been demonstrated that the nanometer-scale oxides significantly inhibits thermal aging hardening of ODS steels and, moreover, core-shell precipitates are formed in Fe-Cr-Al ODS steels after isothermally aged for long time. However, the related reason has not been clarified yet. Therefore, in this proposal, the effects of various kinds of alloy elements on the mechanical behavior of thermal aged Fe-Cr-Al ODS steels and the corresponding mechanisms of Fe-Cr phase separation should be investigated systematically. The emphases are to study the formation mechanism of core-shell precipitates, the underlying reasons why the thermal aging hardening of ODS steels can be considerably suppressed by the nanometer-scale oxides and, moreover, the correlation between the remarkably inhibiting effects of the nanometer-scale oxides on the thermal aging hardening of ODS steels and the formation of core-shell precipitates during the process of the long-term of thermal aging. Consequently, the important guidelines of alloy design and, moreover, the methodology for improving the over-all performance of Fe-Cr-Al ODS steels can be obtained to meet the service requirements of the cladding of ATF of light water reactors.

成功开发高性能包壳材料是轻水堆抗事故燃料（ATF）产业化的前提和基础。Fe-Cr-Al ODS钢有优异的高温蠕变强度、耐辐照性能和抗腐蚀性能，是ATF最有希望的候选包壳材料之一。目前迫切需要开展通过优化Fe-Cr-Al ODS钢合金成分，以便尽可能改善高温强度与环境相容性，并保证在长期服役条件下不发生热时效脆化。研究发现：ODS钢纳米氧化物显著抑制热时效硬化；热时效Fe-Cr-Al ODS钢中形成了核-壳结构纳米析出物，但相关原因尚未查清。因此，本申请项目系统研究不同合金元素对ATF包壳用Fe-Cr-Al ODS钢的热时效力学行为和相分离机制的影响规律，重点研究核-壳结构纳米析出物形成机制及其与纳米氧化物热时效硬化抑制效应之间的关系与内在联系及其机理，结合考察不同合金元素对纳米氧化物强化效果以及环境相容性的影响，形成合金设计指导原则和提高综合性能的方法，以满足ATF包壳管服役要求。

“福岛核事故”表明：目前的轻水堆燃料系统即二氧化铀芯块+锆合金包壳在失水事故条件下存在重大风险。抗事故燃料（Accident tolerant fuel, ATF）是轻水堆下一代核燃料，既保证正常运行工况的经济性，又提高其事故条件下的安全性。而成功开发高性能包壳材料是ATF产业化应用的前提和基础。Fe–Cr–Al ODS钢有优异的高温蠕变强度、耐辐照性能和抗腐蚀性能，是ATF最有希望的候选包壳材料之一。Fe–Cr–Al ODS钢在长期高温环境服役过程中的微观组织结构和性能的稳定性至关重要。为了优化Fe–Cr–Al ODS钢合金成分设计，改善其高温强度与环境相容性以及实现良好的微观组织结构和稳定性，保证在长期服役条件下不发生热时效脆化，本项目系统研究了合金元素包括微量活性元素对于热时效行为的影响规律及其内在机制。具体来说，本项目通过系统研究，得到了不同合金元素如Cr、Al、Ti、Zr、Y和W等对ATF包壳用Fe–Cr–Al ODS钢的热时效硬化行为、脆化行为以及相分离机制和相变机理的影响规律，得到了Fe–Cr–Al ODS钢的相分离和相变图谱以及硬化行为和硬化机制的图谱。本项目重点研究了核–壳结构纳米析出物形成机制及其与纳米氧化物热时效硬化抑制效应之间的关系与内在联系及其机理，结合考察不同合金元素对纳米氧化物强化效果以及环境相容性的影响，形成合金设计指导原则和提高综合性能的方法，以满足ATF包壳管服役要求。本项目的研究得到的合金元素含量对ODS钢的原子-纳米-微观尺度结构和化学的影响规律，丰富和发展了非平衡处理条件下ODS钢中纳米氧化物的形成的固态相变晶体学和固相转变晶体学理论，丰富和发展了Fe–Cr–Al ODS合金系统在长期高温环境服役条件下的固态相变理论和固相转变理论，为发展同类新型合金提供了新的依据。